Stabileres Netz dank Turbogeneratoren

Stabileres Netz dank Turbogeneratoren
Turbogeneratoren sorgen in Gas-, Kohle- und Kernkraftwerken für die Umwandlung von Rotationsenergie in elektrischen Strom, der dann ins Netz eingespeist wird. Treten im Stromnetz grosse Spannungsschwankungen auf, droht den Generatoren Gefahr. Der Industriekonzern Alstom Schweiz hat
unter dem Namen Excitation Booster eine Technologie entwickelt, um das Netz gegen Abschaltungen von Turbogeneratoren bei starken Spannungsschwankungen zu schützen. Die Technologie
könnte in Zukunft einen Betrag zur Netzstabilität und damit zur Versorgungssicherheit leisten.
Johannes Menzel, Leiter der Forschungsgruppe Excitation Booster bei Alstom Schweiz, erläutert den eigens entwickelten Prüfstand für die Excitation Booster-Technologie. Mit einem
Netzfehlergenerator (weisser Schrank) können die Forscher Spannungseinbrüche simulieren.
Foto: B. Vogel
Dr. Benedikt Vogel, im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)
Das Schweizer Stromnetz ist sehr stabil, denn
es ist eng vermascht und an zahlreichen Stellen mit den Stromnetzen der Nachbarstaaten
verbunden, die der Schweiz bei einem Störfall
mit Stromlieferungen helfen, Stromengpässe
zu überbrücken. Diese Absicherung fehlt z.B.
bei Inselnetzen wie in Grossbritannien oder
Irland, ebenfalls in Netzen mit geringer Ver-
Fachbeitrag zu den Erkenntnissen aus einem
Forschungsprojekt im Bereich Gasbefeuerte Kraftwerke, das vom Bundesamt für Energie finanziell
unterstützt wird.
maschung. Hier können starke Spannungseinbrüche im Stromnetz eintreten – etwa bei
Kurzschlüssen, bei Abschaltungen ganzer
Netzteile oder beim Ausfall eines grossen
Kraftwerkblocks. In so einem Extremfall kann
die Spannung im Höchstspannungsnetz zum
Beispiel von üblichen 220 kV auf 160 kV oder
weniger abfallen.
Von einem solchen Spannungseinbruch sind
auch die Generatoren in den ans Stromnetz
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angeschlossenen Kraftwerken betroffen.
Zwar haben die Generatoren die Fähigkeit,
geringe Spannungsschwankungen im Netz
auszugleichen. Dies aber nur bis zu einem
gewissen Grad. Bei grossen Spannungsschwankungen wie im obigen Beispiel geraten sie ausser Tritt und müssen im ungünstigen Fall vom Netz – was in einem Störfall
zu einer kaskadenartigen Verschlimmerung
des Stromengpasses führen kann. Um solche
Szenarien nach Möglichkeit auch unter den
schwierigeren Bedingungen des de-regulierten Strommarkts auszuschliessen, legen die
Netzbetreiber in sogenannten Grid Codes zunehmend schärfere technische Mindestanforderungen fest, denen Generatoren genügen
müssen, um allfällige Spannungseinbrüche zu
überstehen.
Kraftwerksbetreiber rufen Alstom zu
Hilfe
Eine solche Verschärfung des Grid Codes
fassten vor einigen Jahren die Betreiber eines europäischen Stromnetzes ins Auge, um
die Stabilität ihres (Insel-) Netzes zu erhöhen.
Die geplanten Anforderungen an die Generatoren waren so rigide, dass ein lokaler Gaskraftwerksbetreiber fürchtete, seine Turbogeneratoren längerfristig nicht weiter betreiben
zu können. Er wandte sich an den Hersteller
Alstom mit der Frage, wie die Turbogeneratoren so aufgerüstet werden könnten, dass
sie den strengen Anforderungen genügen
würden. Diese Nachfrage hat bei Alstom
Schweiz in Birr (AG) mit Unterstützung vom
Alstom-Standort Mannheim (Deutschland)
ein spannendes Forschungsprojekt angestossen. Durchgeführt haben es ein Entwick-
Das Diagramm veranschaulicht drei unterschiedlich lange und unterschiedlich starke
Fälle von Spannungseinbrüchen, wie sie im
Grid Code für das englische Stromnetz definiert sind. Grafik: Alstom
lungsteam unter der Leitung von Johannes
Menzel, das am elektrischen Design von Turbogeneratoren arbeitet, und weitere Spezialisten aus benachbarten Fachgebieten.
Um einen Generator gegen einen Spannungseinbruch zu wappnen, muss man eine
Möglichkeit finden, diese Schwankung zu
überbrücken. Anknüpfungsunkt ist die statische Erregereinrichtung des Generators. Die
Erregereinrichtung ist eine Komponente, die
mithilfe eines Gleichstroms das Magnetfeld
aufbaut, das für die Stromproduktion im
Generator unerlässlich ist. Die Erregereinrichtung hilft dem Generator ferner dabei, Span-
Der Excitation Booster besteht zur Hauptsache aus einer Anordnung von Kondensatoren,
die die Spannung UEXB liefern, um einen Spannungsabfall im Stromnetz zu kompensieren. Im
Schaltschema links ist der Excitation Booster inaktiv, im rechten Schema aktiv. Grafik: Alstom
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nungsschwankungen auszugleichen, sofern
sie ein gewisses Mass nicht überschreiten.
Ziel des Alstom-Forschungsprojektes war
es, für den Betrieb der Erregereinrichtung
eine eigene, vom Stromnetz unabhängige
Spannungsquelle zu bauen. Diese muss fähig sein, einen Spannungseinbruch im Netz
für kurze Zeit (einige hundert Millisekunden)
zu kompensieren, so dass Störungen im Netz
'durchfahren' werden können. Denn die Er-
Blick auf den Maschinensatz des Prüfstandes,
mit dem die Berechnungsmodelle zum Excitation Booster validiert wurden. Foto: Alstom
regereinrichtung arbeitet normalerweise mit
der Spannung des Stromnetzes – bricht diese
stark ein, wird die Erregereinrichtung funktionsunfähig.
Ein Hochleistungsspeicher kompensiert
Spannungseinbrüche
Die neuartige Spannungsquelle, die Johannes
Menzel und seine Forscherkollegen – basierend auf einem Alstom-Patent – entwickelt
haben, heisst Excitation Booster. Der Excitation Booster besteht aus einem leistungsstarken Energiespeicher und der zugehörigen
Leistungselektronik, die die Kopplung mit der
Erregeranlage gewährleistet. Der Energiespeicher besteht aus einer Anordnung von
Kondensatoren, die in der Endausführung
für Sekundenbruchteile eine Leistung von bis
zu 8 MW zur Verfügung stellen müssen. Die
zugehörige Leistungselektronik besteht zur
Hauptsache aus einer Hochleistungsdiode,
die die Funktion hat, den Energiespeicher in
den Hauptstrompfad einzukoppeln. „Dieses
'Stromventil' dient einerseits der einfachen,
robusten Ankopplung des Energiespeichers
an die Erregeranlage, stellt andererseits aber
auch sicher, dass ein (Teil-) Ausfall des Excitation Boosters nicht zu einem Betriebsunterbruch des Gesamtsystems führt“, sagt Johannes Menzel, „das ist die Grundidee, mit der
wir uns von anderen Herstellern unterscheiden, die in die gleiche Richtung forschen.“
Durch die spezielle Ankopplung mittels Diode ist die Schnittstelle zur Erregeranlage sehr
einfach gehalten, was eine leichte Integrierbarkeit in bestehende Systeme (Upgrade/Retrofit) ermöglicht.
Die Alstom-Forscher haben ihr technisches
Konzept in einem Prüfstand umgesetzt. Dieser wurde von einem spanischen Projektpartner, der Universidad Pontificia Comillas
in Madrid, konzipiert und gebaut. „Mit dem
Prüfstand konnten wir zeigen, dass unsere
Anlage auch in der Praxis funktioniert, und
wir konnten unsere Simulationen für das
elektrische Verhalten der Anlage validieren“,
sagt Johannes Menzel. Der Prüfstand ist die
Nachbildung eines Kraftwerks mit einem
Turbogenerator von 10 kW Leistung (die
von Alstom hergestellten Turbogeneratoren
sind 4 000 bis 200 000 mal leistungsfähiger).
Teil der Anlage ist auch ein Modul, mit dem
sich diverse Szenarien für Spannungseinbrüche der realen Netze auf einem Niveau von
400 Volt nachbilden lassen. Der Generator
des Prüfstands wird durch einen Elektromotor angetrieben, der die Turbine nachbildet,
aber einfacher regelbar ist, als eine richtige
Turbine. Das Trägheitsverhalten des TurbinenAntriebsstrangs wird durch ein Schwungrad
simuliert.
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„Dank der Validierungsdaten aus dem Prüfstand verfügen wir nun über ein Modell für
den Excitation Booster, das wir für Anwendungen bei Turbogeneratoren mit bis zu
400 MVA Leistung skalieren können“, fasst
Menzel die Erkenntnisse des Forschungsprojekts zusammen. Die Technologieentwicklung
des Excitation Boosters ist abgeschlossen, ein
Patent liegt vor. Dennoch wird es vorerst keine kommerzielle Anwendung für das neue
Generator-Tool von Alstom geben. Im Fall
des konkreten Interessenten ist der lokale
Netzbetreiber bezüglich Grid Code zwischenzeitlich den Kraftwerksbetreibern vorläufig
entgegengekommen, so dass zumindest in
diesem Fall für den Excitation Booster vorerst
kein Bedarf besteht.
Instabilitäten im Netz ausgleichen
Doch Menzel ist überzeugt, dass die Zeit für
die Innovation kommen wird: „Netzstabilitätsspezialisten sind sich einig, dass das Thema bald wieder aufs Tapet kommen wird.“ Er
verweist auf den Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) mit Sitz in
Brüssel, der an neuen Vorgaben für Betreiber
von Turbogeneratoren arbeitet. Dies auch vor
dem Hintergrund, dass die vermehrte und je
nach Wetterlage zeitlich stark schwankende
Einspeisung von Leistung aus Wind- und Solaranlagen die Instabilitäten der Stromnetze
tendenziell erhöht. Ein Bedarf für den Excitation Booster könnte sich dann in Europa und
weltweit ergeben. Ob der Excitation Booster
jemals in der Schweiz zum Einsatz kommt,
wird sich zeigen. Das dürfte nicht zuletzt davon abhängen, ob im Zuge der neuen Energiepolitik Gaskraftwerke zum Einsatz kommen.
»» Zusätzliche Auskünfte erteilt Dr.-Ing. Peter Jansohn, Leiter des BFE-Forschungsprogramms
'Kraftwerk
2020/CCS':
peter.jansohn[at]psi.ch
»» Weitere Fachbeiträge über Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekte im Bereich Gasbefeuerte Kraftwerke/CCS finden Sie unter folgendem Link:
www.bfe.admin.ch/CT/gas
5 Stabileres Netz dank Turbogeneratoren
Breite Einsatzpalette für Turbogeneratoren
Bundesamt für Energie BFE
Mühlestrasse 4, CH- 3063 Ittigen, Postadresse: CH-3003 Bern
Telefon +41 (0)58 462 56 11, Fax +41 (0)58 463 25 00
[email protected], www.bfe.admin.ch
06 / 2015
Ob Wasser-, Wind-, Gas-, Kohle- oder Kernkraftwerk: Stets sind zur Stromerzeugung Generatoren nötig. Generatoren für thermische Kraftwerke (Gas, Kohle, Nuklear) nennt man
üblicherweise Turbogeneratoren. Alstom stellt vier Typen von Turbogeneratoren her:
• Luftgekühlte Turbogeneratoren für Gaskraftwerke und Kombikraftwerke (Gaskraftwerke,
bei der zur Stromerzeugung neben einer Gasturbine auch noch eine Dampfturbine eingesetzt wird, um die Abwärme der Gasturbine zu nutzen) in den Leistungsklassen 50 165 MVA und 140 bis 400 MVA.
• Wasserstoffgekühlte Turbogeneratoren für grössere Kombikraftwerke mit 320 - 710 MVA.
• Wasserstoff- und wassergekühlte, zweipolige Turbogeneratoren für grosse thermische
Kraftwerke, insbesondere Kohlekraftwerke mit 430 - 1400 MVA
• Wasserstoff- und wassergekühlte, vierpolige Turbogeneratoren für grosse thermische
Kraftwerke, insbesondere für Kernkraftwerke mit 850 - 2235 MVA
Die unter 1.) bis 3.) genannten Familien werden auch als Phasenschiebermaschinen (Synchronous Condenser) zur Blindleistungsregelung angeboten. BV